冷冻干燥氧化铜制备多孔铜及微观结构研究

摘要

多孔金属具有密度低、阻尼高、抗冲击性能好等优良的性能，逐渐成为减震、降噪、轻量化等工业领域不可或缺的材料。目前大部分多孔金属的制备技术都局限于以金属元素为原料，成本较高，且受金属粉末性质的影响，制备方法也受到一定的限制。
　　本文以氧化铜陶瓷粉末为原料，利用氧化铜具有较低蒸汽压的特性，通过真空烧结使氧化铜分解制备多孔铜。采用冷冻干燥工艺分别制备得到具有复杂宏观形状和具有定向孔结构的多孔铜，研究了浆料固含量对孔率、孔形貌的影响，并探讨了孔隙形成机理。另外，以NaCl为造孔剂，采用预烧结-脱溶方法制备得到具有可控双峰孔结构的多孔铜材料，研究了NaCl含量对孔率、孔结构及性能的影响。
　　结果表明：通过浆料铸造及对冷冻干燥后的坯体进行切割可以得到复杂宏观形状多孔材料，切割的废料可进行二次利用，复杂形状多孔铜没有表现出明显的宏观缺陷，并保持了良好的形状公差。通过在900℃保温2 h的真空烧结，氧化铜粉末完全分解成金属铜。多孔材料的孔隙主要来源于浆料中溶剂的升华，随着浆料固含量的增加（20-40 vol.％），多孔铜孔率逐渐降低（49.7-30.8%），孔径变小，抗压强度提高。
　　温度梯度可以控制浆料凝固过程中冰晶的生长方向，干燥升华使得定向结构得到复制。烧结过程中孔径存在一定收缩，孔隙平行于温度梯度方向，并保持高度一致性。随着浆料中固含量增加，孔隙通道变小，通过改变浆料固含量可以控制孔道大小。
　　预烧结氧化铜坯体在NaCl脱溶过程中保持良好的结构完整性，NaCl颗粒能够快速完全溶解在水中，由此可以制备具有双峰孔结构的多孔铜材料，大孔孔径在85μm左右，来源于NaCl的溶解；小孔孔径处于12μm左右，来源于粉末颗粒在压制过程中不完全致密化留下的颗粒间间隙孔。大孔与小孔之间相互连通，开孔比率96%以上，随着NaCl含量增加，孔率及电阻率增加，抗压强度降低。具有高孔率的多孔铜材料具有更好的能量吸收效率，适用于在高能量吸收领域中的应用。